Con i sogni di Marte nelle menti sia della NASA che di Elon Musk, stanno arrivando missioni con equipaggio a lunga distanza attraverso lo spazio. Ma potresti essere sorpreso di apprendere che i razzi moderni non vanno molto più veloci dei razzi del passato.

Ci sono molte ragioni per cui un'astronave più veloce è migliore, e i razzi a propulsione nucleare sono un modo per farlo. Offrono molti vantaggi rispetto ai tradizionali razzi a combustibile o ai moderni razzi elettrici a energia solare, ma negli ultimi 40 anni ci sono stati solo otto lanci spaziali statunitensi con reattori nucleari.

Però, l'anno scorso le leggi che regolano i voli spaziali nucleari sono cambiate e sono già iniziati i lavori su questa prossima generazione di razzi.

Perché la necessità di velocità?

Il primo passo di un viaggio spaziale prevede l'uso di razzi di lancio per portare una nave in orbita. Questi sono i grandi motori a combustione che le persone immaginano quando pensano ai lanci di razzi e non è probabile che scompaiano nel prossimo futuro a causa dei vincoli di gravità.

È una volta che una nave raggiunge lo spazio che le cose si fanno interessanti. Per sfuggire alla gravità terrestre e raggiungere destinazioni nello spazio profondo, le navi necessitano di ulteriore accelerazione. È qui che entrano in gioco i sistemi nucleari. Se gli astronauti vogliono esplorare qualcosa di più lontano della Luna e forse di Marte, dovranno andare molto molto velocemente. Lo spazio è enorme, e tutto è lontano.

Ci sono due ragioni per cui i razzi più veloci sono migliori per i viaggi spaziali a lunga distanza:sicurezza e tempo.

Gli astronauti in viaggio su Marte sarebbero esposti a livelli molto elevati di radiazioni che possono causare gravi problemi di salute a lungo termine come cancro e sterilità. La schermatura dalle radiazioni può aiutare, ma è estremamente pesante, e più lunga è la missione, più è necessaria la schermatura. Un modo migliore per ridurre l'esposizione alle radiazioni è semplicemente arrivare dove stai andando più velocemente.

Ma la sicurezza umana non è l'unico vantaggio. Mentre le agenzie spaziali sondano più lontano nello spazio, è importante ottenere i dati dalle missioni senza equipaggio il prima possibile. La Voyager-2 ha impiegato 12 anni solo per raggiungere Nettuno, dove ha scattato alcune foto incredibili mentre volava. Se la Voyager-2 avesse un sistema di propulsione più veloce, gli astronomi avrebbero potuto avere quelle foto e le informazioni che contenevano anni prima.

La velocità è buona. Ma perché i sistemi nucleari sono più veloci?

Sistemi di oggi

Una volta che una nave è sfuggita alla gravità terrestre, ci sono tre aspetti importanti da considerare quando si confronta qualsiasi sistema di propulsione:

• Spinta:quanto velocemente un sistema può accelerare una nave
• Efficienza di massa:quanta spinta può produrre un sistema per una data quantità di carburante
• Densità energetica:quanta energia può produrre una determinata quantità di carburante

Oggi, i sistemi di propulsione più comuni in uso sono la propulsione chimica, ovvero razzi a combustione regolare e sistemi di propulsione elettrica a energia solare.

I sistemi di propulsione chimica forniscono molta spinta, ma i razzi chimici non sono particolarmente efficienti, e il carburante per razzi non è così denso di energia. Il razzo Saturn V che ha portato gli astronauti sulla Luna ha prodotto 35 milioni di Newton di forza al decollo e ne ha trasportati 950, 000 galloni di carburante. Mentre la maggior parte del carburante è stato utilizzato per portare il razzo in orbita, i limiti sono evidenti:ci vuole molto carburante pesante per arrivare ovunque.

I sistemi di propulsione elettrica generano spinta utilizzando l'elettricità prodotta dai pannelli solari. Il modo più comune per farlo è usare un campo elettrico per accelerare gli ioni, come nel propulsore Hall. Questi dispositivi sono comunemente usati per alimentare i satelliti e possono avere un'efficienza di massa fino a cinque volte superiore rispetto ai sistemi chimici. Ma producono molta meno spinta - circa tre Newton, o solo quanto basta per accelerare un'auto da 0-60 mph in circa due ore e mezza. La fonte di energia, il Sole, è essenzialmente infinita ma diventa meno utile quanto più la nave si allontana dal Sole.

Uno dei motivi per cui i razzi a propulsione nucleare sono promettenti è perché offrono un'incredibile densità di energia. Il combustibile di uranio utilizzato nei reattori nucleari ha una densità energetica 4 milioni di volte superiore all'idrazina, un tipico propellente chimico per razzi. È molto più facile portare una piccola quantità di uranio nello spazio che centinaia di migliaia di galloni di carburante.

E per quanto riguarda la spinta e l'efficienza di massa?

Due opzioni per il nucleare

Gli ingegneri hanno progettato due tipi principali di sistemi nucleari per i viaggi nello spazio.

Il primo è chiamato propulsione termica nucleare. Questi sistemi sono molto potenti e moderatamente efficienti. Usano un piccolo reattore a fissione nucleare, simile a quelli che si trovano nei sottomarini nucleari, per riscaldare un gas, come l'idrogeno, e quel gas viene quindi accelerato attraverso un ugello del razzo per fornire spinta. Gli ingegneri della NASA stimano che una missione su Marte alimentata da propulsione termica nucleare sarebbe del 20% -25% più breve di un viaggio su un razzo a propulsione chimica.

I sistemi di propulsione termica nucleare sono più del doppio più efficienti dei sistemi di propulsione chimica, il che significa che generano il doppio della spinta utilizzando la stessa quantità di massa di propellente e possono fornire 100, 000 Newton di spinta. È una forza sufficiente per portare un'auto da 0 a 100 km/h in circa un quarto di secondo.

Il secondo sistema missilistico a base nucleare è chiamato propulsione elettrica nucleare. Nessun sistema elettrico nucleare è stato ancora costruito, ma l'idea è quella di utilizzare un reattore a fissione ad alta potenza per generare elettricità che poi alimenterebbe un sistema di propulsione elettrica come un propulsore Hall. Questo sarebbe molto efficiente, circa tre volte meglio di un sistema di propulsione termica nucleare. Dal momento che il reattore nucleare potrebbe creare molta energia, molti singoli propulsori elettrici potrebbero essere azionati contemporaneamente per generare una buona quantità di spinta.

I sistemi elettrici nucleari sarebbero la scelta migliore per missioni a lungo raggio perché non richiedono energia solare, hanno un'efficienza molto elevata e possono dare una spinta relativamente elevata. Ma mentre i razzi elettrici nucleari sono estremamente promettenti, ci sono ancora molti problemi tecnici da risolvere prima che vengano messi in funzione.

Perché non ci sono ancora i razzi a propulsione nucleare?

I sistemi di propulsione termica nucleare sono stati studiati dagli anni '60 ma non hanno ancora volato nello spazio.

I regolamenti imposti per la prima volta negli Stati Uniti negli anni '70 richiedevano essenzialmente l'esame e l'approvazione caso per caso di qualsiasi progetto spaziale nucleare da parte di più agenzie governative e l'approvazione esplicita del presidente. Insieme alla mancanza di fondi per la ricerca sui sistemi missilistici nucleari, questo ambiente ha impedito un ulteriore miglioramento dei reattori nucleari per l'uso nello spazio.

Tutto è cambiato quando l'amministrazione Trump ha emesso un memorandum presidenziale nell'agosto 2019. Pur sostenendo la necessità di mantenere i lanci nucleari il più sicuri possibile, la nuova direttiva consente alle missioni nucleari con quantità inferiori di materiale nucleare di saltare il processo di approvazione multi-agenzia. Solo l'agenzia promotrice, come la NASA, Per esempio, deve certificare che la missione soddisfa le raccomandazioni di sicurezza. Le missioni nucleari più grandi dovrebbero seguire lo stesso processo di prima.

Insieme a questa revisione della normativa, La NASA ha ricevuto 100 milioni di dollari nel budget del 2019 per sviluppare la propulsione termica nucleare. DARPA sta anche sviluppando un sistema di propulsione termica nucleare spaziale per consentire operazioni di sicurezza nazionale oltre l'orbita terrestre.

Dopo 60 anni di stagnazione, è possibile che un razzo a propulsione nucleare si dirigerà nello spazio entro un decennio. Questo entusiasmante traguardo introdurrà una nuova era di esplorazione dello spazio. Le persone andranno su Marte e gli esperimenti scientifici faranno nuove scoperte in tutto il nostro sistema solare e oltre.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.